用于可充电电池的多组分电极制造技术

本发明专利技术涉及用于产电流的单元电池或可充电电池的硫阴极。所述硫阴极包含含有电活性含硫材料、导电性填料和非电活性组分。本发明专利技术还涉及包含所述硫阴极的可充电电池。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般地涉及可充电电池(battery)领域，并且更具体地涉及可充电的锂-硫电池。特别地，本专利技术涉及硫复合阴极及它们在可充电电池中的应用。
技术介绍
对于安全、低成本、高能密度且持久的可充电电池具有高的要求，以解决储能系统的迫切环境需求。储存装置的最理想的候选之一是锂-硫(L1-S)单元电池(cell)。L1-S电池显示出非常高的理论能量密度，其通常比基于插层电极的常规Li离子电池高5倍。尽管具有优点，但是L1-S电池的广泛采用仍然受到来自于硫正极(“阴极”)的各种挑战的阻碍。L1-S电池的主要问题在于硫阴极的快速容量衰减，其主要归因于多硫化物阴离子(Sn2-)溶解之后的扩散，多硫化物阴离子是从阴极进入电解质的一系列中间反应物种。该溶解导致负极(“阳极”)和阴极上的活性物质损失。多硫化物阴离子也起着氧还原飞梭(redox shuttle)的作用，其造成较低的库仑效率,也就是比相应的放电容量大得多的充电容量。现有技术中已提出多种方法来以解决多硫化物阴离子扩散的问题。一种方法是将硫系连(tether)在聚合物分子上。在美国专利US4，833，048、5，162，175、5，460，905、5，462，566,5, 516，598,5, 529，860,5, 601，947,5, 690，702,6, 117，590,6, 174，621、6，201, 100,6, 309, 778和6，482，334中已研究并公开了该方法。一种方法是将多孔导电剂加入阴极中。在美国专利 US6, 194，099,6, 210，831,6, 406，814,6, 652，440,6, 878，488 和7，250，233中已研究并公开了该方法。美国专利申请2009/0311604描述了在电池循环之前将硫活性物包封在多孔碳中。一种方法是使用聚合物粘合剂以延迟多硫化物的扩散。在美国专利US6, 110，619,6, 312，853,6, 566，006和7，303，837中已研究并公开了该方法。一种方法是采用物理阻隔物(barrier)以阻断多硫化物离子扩散。在美国专利US7，066，971中已研究并公开了该方法。一种方法是采用分隔体(separator)以延迟多硫化物的扩散。在 6，153，337,6, 183，901,6, 194，098,6, 277，514,6, 306，545,6, 410，182 和 6，423，444 中已研究并公开了该方法。一种方法是采用阴极集流体以延迟多硫化物的扩散。在美国专利US6，403，263中已研究并公开了该方法。一种方法是在电解质中使用添加剂。美国专利US5, 538，812,6, 344，293,7, 019，494,7, 354，680 和 7，553，590 中已研究并公开了该方法。物理阻隔物不完全解决长期循环中的多硫化物扩散问题。快速响应的硫电池要求电解质/Li+易于输送入和输送出硫电极，并且最终一些可溶性的多硫化物离子将会扩散出多孔碳室，其引发飞梭现象。多硫化物离子一旦扩散出阴极并进入电解质，它们与阳极的反应将造成活性物质的损失。尽管之前提出了多种方法，但对于防止或抑制多硫化物扩散出阴极并进入电解质的解决方案仍存在需求
技术实现思路
本专利技术的一个方面涉及用于可充电电池的硫阴极，所述阴极包含:(a)电活性含硫材料；(b)导电性填料,和(c)非电活性组分；其中所述非电活性组分是多孔的，并具有以下一项或多项特征:i)能够使多硫化物阴离子被吸收的孔尺度，和ii)用于多硫化物吸附的活性部位；并且其中所述吸收和/或吸附是可逆的。本专利技术的另一方面涉及可充电电池，其包括:a.阳极，b.分隔体，c.非水电解质，和d.含硫阴极，所述阴极包含:(a)电活性含硫材料；(b)导电性填料，和(C)非电活性组分；其中所述非电活性组分是多孔的，并具有以下一项或多项特征:i)能够使多硫化物阴离子被吸收的孔尺度，和ii)用于多硫化物吸附的活性部位；并且其中所述吸收和/或吸附是可逆的。附图说明图1显示了使用分子筛作为添加剂的阴极的循环寿命特性。图2显示了添加剂SBA-15 (介孔二氧化硅)的形貌。图3a显示了 SCM的吸收和脱附等温线、以及孔径分布，(嵌入物)表示以12.5nm为中心的孔结构。图3b显示SCM的高分辨率SEM图像。图3c显示SCM的暗场STEM图像，其揭示了均匀的孔径。图3d和3e显示SCM/S的高分辨率SEM和暗场STEM图像，其表明硫吸入孔结构中的效果。图3f显示包含单质硫、碳填料SCM和SBA-15添加剂的复合阴极的形貌。图4显示包含和不包含SBA-15添加剂的单元电池的第一次循环的第一恒电流(galvanostatic)放电-充电曲线。图5显示包含介孔二氧化硅作为添加剂(方形)和不包含其(三角)的阴极的循环寿命特性的对比。图6显示在不同单元电池电压下添加SBA-15的SCM/S电极的SEM结果，与从a)第一次放电至2.15V、b)第一次放电至1.5V的图像左下角处显示的以矩形标记的区域中收集的相应的EDX结果。图7显示了从:SCM/S阴极(实心点曲线)；从添加SBA-15的SCM/S阴极(空心点曲线)溶入电解质的硫的百分比。图8显示表示SBA-15棒在SCM/S电极中对多硫化物阴离子的吸收效果的示意图。图9显示不包含添加剂的阴极的循环寿命特性。图10显示SCM碳的SEM图像。具体实施例方式本文使用的产电流的单元电池是指用于产生电流的电化学单元电池,并且包括电池，并且更特别地包括可充电电池。 在本专利技术的一个实施方案中，提供了用于产电流的单元电池或可充电电池的固体电极。更特别地，所述固体电极是包含导电性填料的硫阴极。在可充电电池的硫电极的电化学反应过程中，多硫化物离子在中等电压下形成。这些多硫化物离子通常可溶于大多数的有机或离子液体电解质。本专利技术的一个方面涉及将溶解的多硫化物离子保留在电极中的方法。在一个特别方面，所述多硫化物离子被电极的组分吸着(sorb)。如本文所使用的术语“吸着”或“吸收”用于表示例如通过吸收和/或吸附而吸取和保留，并且可包括通过弱键合以可逆的方式保留。在本专利技术的另一方面，多硫化物离子被导电性组分吸收和/或吸附。在另一个实施方案中，所述吸收和/或吸附是可逆的。在本专利技术的又一个实施方案中，多硫化物离子的吸着和电子向多硫化物离子的导引通过电极中不同的组分预形成。例如，这些功能可分别通过绝缘性(或非电活性)组分和导电填料预形成。本专利技术的又一个实施方案提供用于产电流单元电池的硫阴极，其包含:(a)电活性含硫材料；(b)导电性填料，和(C)非电活性组分；其中所述非电活性组分是多孔的，并具有以下一项或多项特征:i)运行多硫化物阴离子吸附的孔尺度，和ii)用于多硫化物脱附的活性部位；并且其中所述吸收和/或吸附是可逆的。特别地,上述阴极适用于L1-S产电流单元电池。(a)电活性含硫材料在本专利技术的一个实施方案中，所述电活性含硫材料包含单质硫和含硫化合物。在另一个实施方案中，含硫化合物是在放电或充电时释放多硫化物离子的化合物。在又一个实施方案中，所述含硫化合物是锂-硫化合物，例如Li2S。(b)导电性填料用于固体电极的导电性填料是本领域已知的。该类材料的实例可包括但不限于炭黑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：L·F·纳扎尔，纪秀磊，
申请(专利权)人：L·F·纳扎尔，纪秀磊，
类型：
国别省市：